橡膠混凝土凍融損傷分析

郭 琦，崔勝超，仵 晗

(西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

橡膠混凝土是以混凝土為基質，均勻摻入各種非連續橡膠粉或橡膠顆粒而形成的水泥基復合材料，由于其能減少廢舊輪胎污染，質量輕，彈性、韌性良好及具有較好的耐久性能[1]，近年來在學界備受關注。抗凍性是混凝土耐久性中最具代表性的研究指標之一[2-3]。我國北方地區，橡膠混凝土結構特別是路用橡膠混凝土受凍融環境影響較大，因此對橡膠混凝土抗凍性能進行研究，找出其凍融循環下的損傷規律，對橡膠混凝土應用意義重大[4]。

國內外學者對橡膠混凝土抗凍耐久性進行了深入研究[5-7]，基本認為橡膠粉在混凝土中起到固體引氣劑作用，提高了混凝土耐久性。然而有關橡膠混凝土在凍融環境作用下的損傷分析[8]和量化[9]仍處于初步階段，制約了橡膠混凝土的發展。

因此，筆者對不同摻量和不同粒徑橡膠混凝土開展凍融循環試驗，選取質量損失率和以橡膠混凝土動彈性模量為基礎的凍融損傷量這兩個指標分析得到了凍融循環作用下橡膠混凝土的損傷規律，并給出了相應量化模型。

1 試 驗

1.1 原材料及配合比

水泥采用禮泉海螺水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥(42.5 MPa)；水采用普通自來水；細骨料為周至普通河砂，2類中砂，連續級配，堆積密度為1 274.07 kg/m3；粗骨料為陜西涇陽產粒徑5～20 mm連續級配花崗巖碎石，堆積密度為1 407.40 kg/m3；為改善混凝土流動性，試驗還采用了陜西友邦新材料有限公司生產的DZ-BS聚羧酸高效減水劑；橡膠集料采用某公司生產的橡膠粉，如圖1；橡膠粉基本性能如表1。

圖1 橡膠粉Fig. 1 Rubber powder

橡膠粒徑/mesh顆粒大小/mm含水率/%堆積密度/(kg·m-3)200.83～2.361.7426.40400.38～0.831.9429.63800.18～0.382.0413.79

本試驗采用普通混凝土作為基準混凝土，設計強度為C55。基準混凝土配合比見表2。

表2 普通水泥混凝土配合比Table 2 Mix proportion of ordinary concrete (kg·m-3)

試件保持水灰比、粗集料及減水劑用量不變，將橡膠粉等體積替代細骨料(砂)，體積替代率分別為10%、20%、30%，橡膠粉粒徑變量為20、40、80目。分組編號如表3。

表3 試件分組編號Table 3 Sequence numbering for test-pieces

1.2 試驗方法

本試驗依據GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法[10]利用快速凍融試驗機進行凍融循環試驗。

本次試驗有9組橡膠混凝土和1組普通混凝土共10組，每組3個試件。每個試件的尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm。試件成型24 h后，拆模移入溫度為(20±2)℃、相對濕度大于95%的標準養護室養護28 d。

在規定齡期的前4 d，將試件放入(20±2)℃的石灰水中浸泡，浸泡結束后取出并用濕布擦干試件表面水分，再分別測定每個試件的質量和動彈性模量作為其初始值，在凍融循環25、50、75、100、125、150次時分別測定每個試件的質量和動彈性模量。

2 試驗結果及分析

2.1 質量變化

橡膠混凝土試件質量損失率按式(1)計算[10]：

(1)

式中：Wl為質量損失率；W0為橡膠混凝土試件初始質量；Wn為n次凍融循環后橡膠混凝土試件質量。

所有試件在凍融循環作用下的質量損失率隨凍融循環次數的變化如圖2。橡膠粉摻量(細骨料體積取代率)為10%、20%、30%的橡膠混凝土在凍融循環作用下質量損失率隨凍融循環次數變化分別如圖3。

圖2 試件質量損失率匯總Fig. 2 Mass loss rate of all test-pieces

圖3 橡膠混凝土質量損失率Fig. 3 Mass loss rate of rubber concrete

由圖2可知：所有試件質量損失率均隨凍融循環次數增加而不斷上升；編號為20%-80的試件在凍融初期(0～50次)其質量損失率與普通混凝土差異較小，當凍融循環次數超過50后，其質量損失率增加速度放緩而其質量損失率與普通混凝土相比差異逐漸增大；除編號為20%-80的其它組橡膠混凝土試件，其質量損失率較普通混凝土明顯偏小。這說明橡膠混凝土質量損失是一個隨凍融循環逐漸累積的過程。在混凝土中摻入橡膠粉，可不同程度地降低凍融循環作用下混凝土質量損失率。

由圖3可得：橡膠粉粒徑為20目的試件在細骨料體積取代率為10%、20%、30%的摻量下其質量損失率均最小；在低摻量(細骨料體積取代率為10%)時，這3種粒徑對應試件質量損失率差異較小，這說明低摻量下橡膠粉粒徑對橡膠混凝土質量損失影響不顯著；在摻量較大(細骨料體積取代率≥20%)時，橡膠混凝土質量損失率隨著所摻橡膠粉粒徑的減小而增大，且摻量越高，橡膠粉粒徑對橡膠混凝土質量損失率的影響越顯著；同時，在摻量為≥20%時，所摻橡膠粉粒徑為80目的試件質量損失率增加速度在凍融初期較大，之后趨于平穩，這說明高摻量、小粒徑的橡膠粉對橡膠混凝土凍融循環作用下質量損失率影響主要表現于凍融前期。根據此規律可以得出：質量損失率指標下，在摻量為10%～30%、粒徑為80～20目范圍內，橡膠混凝土的最佳摻量和粒徑為30%-20目。

通過對試驗數據的分析，可得到不同橡膠粉摻量和粒徑下的橡膠混凝土質量損失率與凍融循環次數的關系如式(2)：

(2)

式中：n為凍融循環次數；a、b、k分別為與橡膠混凝土材料、環境因素、邊界條件有關系數，可通過試驗數據得到。

由式(1)、(2)可得到凍融環境下橡膠混凝土質量與凍融循環次數的函數關系如式(3)：

(3)

本試驗擬合結果如表4。

表4 質量函數擬合結果Table 4 Mass function fitting result

2.2 動彈性模量變化

由損傷力學[11]理論可知，橡膠混凝土凍融是一個損傷累積過程，其損傷量可由式(4)表示：

D=1-Er=1-En/E0

(4)

式中：Er為橡膠混凝土相對動彈性模量；E0和En分別為凍融前橡膠混凝土動彈性模量和n次凍融后橡膠混凝土動彈性模量。

根據凍融試驗，由式(4)可得每組橡膠混凝土損傷量隨凍融循環次數變化情況，其結果如圖4。

圖4 試件損傷量匯總Fig. 4 Damage of all test-pieces

分析圖4可得：所有試件凍融損傷量隨著凍融循環次數的增加而不斷上升，且是一個逐漸增大的過程；普通混凝土(編號為0%-0)試件的凍融損傷量不同程度高于橡膠混凝土試件。這說明普通混凝土中摻入橡膠粉有助于減小其凍融損傷量，即有助于減小凍融循環對混凝土動彈性模量影響。

圖5分別表示所摻橡膠粉粒徑為20、40、80目橡膠混凝土在不同摻量下的凍融損傷量；
圖6分別表示所摻橡膠粉摻量(細骨料體積取代率)為10%、20%、30%的橡膠混凝土在不同橡膠粉粒徑下的凍融損傷量。

圖5 橡膠混凝土凍融損傷量Fig. 5 Damage of rubber concrete

圖6 橡膠混凝土凍融損傷量Fig. 6 Damage of rubber concrete

分析圖5可得：在所摻橡膠粉粒徑較大(20、40目)的情況下，橡膠混凝土凍融損傷量隨橡膠粉摻量增大而減小；在所摻橡膠粉粒徑較小(80目)時，橡膠混凝土試件凍融損傷量大小順序為：30%-80>10%-80>20%-80。這表明高摻量、小粒徑(30%-80)橡膠粉改變了同橡膠粉粒徑下橡膠混凝土凍融損傷隨橡膠粉摻量增大而減小的規律，即在以凍融損傷量為指標衡量橡膠混凝土的抗凍性能時，并非摻量越高其抗凍性能越好。

由圖6可得：在橡膠粉摻量(細骨料體積取代率)為10%、20%時，所摻橡膠粉粒徑為40目的橡膠混凝土試件凍融損傷量最大；在橡膠粉摻量為30%時，所摻橡膠粉粒徑為80目的橡膠混凝土試件凍融損傷量最大。在所有摻量下，所摻橡膠粉粒徑為20目的橡膠混凝土試件凍融損傷量最小。這說明在以動彈性模量為基礎的凍融損傷量指標下衡量橡膠混凝土抗凍性能時，雖不是所摻橡膠粉粒徑越大其抗凍性能越好，但其最佳粒徑為20目。

根據橡膠混凝土凍融損傷量隨凍融循環次數的變化規律，可得出此指標下：在摻量為10%～30%、粒徑為80～20目范圍內，橡膠混凝土最佳摻量和粒徑為30%-20目。這與2.1節在質量損失率指標下所得最佳摻量和粒徑是相同的。

綜合2.1、2.2節可得：在摻量為10%～30%、粒徑為80～20目范圍內，橡膠粉摻量和粒徑為30%-20目橡膠混凝土抗凍性最佳。

3 模型驗證

由2.2節所提到的橡膠混凝土凍融損傷可用動彈性模量為基礎的損傷量D來表示。為揭示損傷量D與凍融循環次數的量化關系，參考劉崇熙等[12]提出的混凝土凍融損傷指數模型和余紅發等[13]提出的單段凍融損傷一元二次方程模型，根據本試驗數據進行驗證，其模型如下。

指數模型如式(5)：

D=1-α·eλ·n

(5)

式中：α、λ分別為與橡膠混凝土材料、環境因素、邊界條件有關的參數。

一元二次方程模型如式(6)：

Er=0.5β·n2+γ·n+1

(6)

式中：β為損傷加速度負值；γ為損傷初速度負值。

由式(4)、(6)可得式(7)：

D=-(0.5β·n2+γ·n)

(7)

擬合結果如表5、6。

表5 一元二次方程模型擬合結果Table 5 Fitting result of quadratic equation model

表6 指數模型擬合結果Table 6 Fitting result of exponential function model

(續表6)

編 號αλR220%-401.004 8-6.061×10-40.97130%-401.002 9-1.931×10-40.91510%-801.009 1-6.426×10-40.93520%-801.000 4-3.308×10-40.98230%-801.005 2-8.941×10-40.984

由擬合結果可知：10組數據指數函數模型R2取值范圍為0.915～0.984；一元二次方程模型R2范圍為0.942～0.997；兩模型均擬合良好。而一元二次方程模型擬合度高于指數函數模型，因此一元二次模型能更好地適用于橡膠混凝土凍融損傷量計算。

4 結 論

1)通過對橡膠混凝土在凍融循環過程中質量損失率分析，得出當橡膠粉摻量不小于20%時，質量損失率與橡膠粉粒徑大小成反比；低摻量橡膠粉粒徑對質量損失率影響不大。并根據試驗結果得到凍融環境下橡膠混凝土質量與凍融循環次數的函數關系表達式，其擬合精度較高。

2)通過對橡膠混凝土凍融損傷量分析，得出相同橡膠粉粒徑下，橡膠混凝土凍融損傷與橡膠粉摻量成反比，而高摻量、小粒徑(30%-80目)橡膠粉排斥此規律；在凍融損傷量指標下，無論橡膠粉摻量大小，在80～20目粒徑范圍內最佳為20目。

3)綜合橡膠混凝土凍融循環過程中質量損失率的變化規律和凍融損傷量的變化規律，得出橡膠混凝土在這兩個指標下均優于普通混凝土；提出在摻量為10%～30%、粒徑為80～20目范圍內，橡膠混凝土基于抗凍性的最佳摻量和粒徑為30%-20目，為橡膠混凝土抗凍性能進一步研究及橡膠混凝土應用奠定基礎。

4)比對橡膠混凝土凍融損傷量指數模型和一元二次方程模型，得出一元二次模型能更好地反映橡膠混凝土凍融損傷量隨凍融循環次數變化，為今后橡膠混凝土凍融損傷的量化分析提供參考。

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